En
estos sistemas reactivos, se consideran la energía interna sensible (asociada
con los cambios de presión y temperatura), la energía interna latente (asociada
con los cambios de fase) y la energía interna química (asociada a la
destrucción y la formación de enlaces químicos entre los átomos).
15.1-
COMBUSTIBLES Y COMBUSTIÓN
§ Combustible.- Cualquier material que puede quemarse para liberar energía. La
mayoría se componen principalmente de
hidrógeno y carbono (hidrocarburos) y se
denotan por la fórmula general CnHm.
§ Combustión.- Una reacción química durante la cual se oxida un combustible y se
libera una gran cantidad de energía.
El oxidante empleado con mayor frecuencia en los procesos de
combustión es el
Aire. El oxígeno puro, O2, se emplea como oxidante sólo en algunas
aplicaciones especializadas, como el corte y la soldadura, donde no se puede
utilizar aire.
§ En el análisis de los procesos de combustión, el aire seco puede
considerarse: 21% de oxígeno y 79 % de nitrógeno en números molares. Por
consiguiente:
1mol de oxígeno (0.79/0.21) = 3.76 mol de nitrógeno
1 kmol O2 + 3.76 kmol N2 = 4.76 kmol aire
Nota: Se supondrá que el N2 es inerte.
§ Temperatura de Ignición.- El combustible debe llevarse arriba de su temperatura de
ignición para iniciar la combustión.
§ Principio de conservación de masa.- La masa total de cada elemento se conserva durante una reacción
química. Pero el número total de moles no se conserva durante una reacción
química.
§ Relación de aire – combustible.- la
relación entre la masa del aire y la masa de combustible en un proceso de
combustión
AC = m aire / m combustible
15-2 PROCESOS DE
COMBUSTIÓN TEÓRICA Y REAL
Combustión
completa.- En un proceso
si todo el carbono en el combustible se transforma en CO2, todo el hidrógeno se
transforma en H2O, etc. Esto es, todos los componentes combustibles de un
combustible se queman totalmente durante un proceso de combustión completa.
Combustión
incompleta.- Si los
productos de combustión contienen algo de combustible o componentes no
quemados, como C, H2, CO, o bien, OH.
Aire
estequiométrico o teórico.- La
cantidad mínima de aire necesaria para la combustión completa de un combustible.
Aire teórico en un proceso de combustión con cantidad de aire menor está condenado
a ser incompleto.
Combustión
estequiométrica o teórica de
ese combustible.- El proceso de
combustión ideal durante el cual un combustible se quema por completo con aire
teórico. Note que los productos de la combustión teórica no contienen
sin quemar C, H2, CO, OH u O2 libre.
Combustión
real.- Es una práctica común emplear más aire
que la cantidad estequiométrica, con el fin de aumentar las oportunidades de
combustión completa.
Exceso
de aire.- La cantidad de aire en exceso de la
cantidad estequiométrica
Exceso
de aire porcentual o aire
teórico porcentual.- La cantidad de exceso de aire suele expresarse en
términos del aire estequiométrico. Desde luego, el
aire estequiométrico puede expresarse como 0 % de exceso de aire o como 100 %
de aire teórico.
Analizador
de gas Orsat.- Para analizar
la composición de los gases de combustión se emplea un dispositivo. En este
dispositivo se recoge una muestra de los gases de combustión y se enfría a
temperatura y presión ambiente, en cuyo punto se mide su volumen.
15.3 ENTALPÍA DE FORMACIÓN Y ENTALPÍA DE COMBUSTIÓN
La
termodinámica se ocupa de los cambios en la energía de un sistema
durante un proceso:
El
proceso que acaba de describirse no incluye interacciones de trabajo:
Estado
de referencia estándar.- El estado de
referencia elegido es 25 °C (77 °F) y 1 atm y se indican mediante un
superíndice (°) (como h° y u°).
Entalpía
de reacción hR.- Es la
diferencia entre la entalpía de los productos en un estado específicado y la
entalpía de los reactivos en el mismo estado para una reacción completa.
Entalpía
de combustión hC.- En los
procesos de combustión, la entalpía de reacción representa la cantidad de calor
liberado durante un proceso de combustión de flujo estacionario cuando 1 kmol
(o 1 kg) de combustible se quema por completo a una temperatura y presión
especificadas.
Entalpía
de formación hf.- Es la entalpía
de una sustancia en un estado especificado debida a su composición química.
15-4 ANÁLISIS
DE SISTEMAS REACTIVOS CON BASE EN LA PRIMERA LEY
La relación del balance de energía,
es necesario expresar la entalpía de un componente en una forma conveniente
para su uso en sistemas reactivos.
La entalpía de un componente por
unidad de mol como:
Balance de
energía para un sistema de flujo estacionario
para un sistema de flujo estacionario químicamente reactivo, cuando los cambios
de energías cinética y potencial son insignificantes:
∆Ė entrada= Ė
salida
Entonces
el balance de energía para un proceso típico de combustión de
flujo estacionario se convierte en:
Balance de
energía para Sistemas Cerrados:
Para un sistema cerrado químicamente
reactivo en reposo como:
15-5 TEMPERATURA
DE FLAMA ADIABÁTICA
Cuando
en los procesos de combustión no hay pérdidas de calor hacia los alrededores
(Q=0).
Temperatura
de flama adiabática o de combustión
adiabática.- En el caso límite en que no haya pérdida de calor hacia los alrededores
(Q =0), entonces la temperatura de los productos alcanzará un máximo.
La
temperatura de flama adiabática de
un proceso de combustión de flujo estacionario se determina de la
ecuación al establecer Q =0 y W= 0. Esto produce:
Note que la temperatura de flama adiabática de un combustible no es
única. Su valor depende de: 1) el estado de los reactivos, 2) el grado al que
se completa la reacción y 3) la cantidad de aire utilizado. Para un combustible
especificado a un estado especificado que se quema con aire a un estado
especificado, la temperatura de flama adiabática alcanza su valor máximo cuando
sucede la combustión completa con la cantidad teórica de aire.
15-6 CAMBIO
DE ENTROPÍA DE SISTEMAS REACTIVOS
1) El balance
de entropía para cualquier sistema (incluyendo los sistemas
reactivos) que experimenta cualquier proceso se expresa como:
2) Balance
de entropía se puede
expresar de manera más explícita para un sistema reactivo cerrado o de flujo
estacionario como:
Donde Tk es la temperatura en
la frontera donde Qk la cruza.
3) Balance
de entropía para un
proceso adiabático (Q = 0), la ecuación quedaría:
Entropía
total generada en un proceso
se determina al aplicar el balance de entropía a un sistema extendido que
incluya al sistema mismo y a sus alrededores inmediatos, donde puedan estar
ocurriendo irreversibilidades externas.
Entropía
absoluta son los valores de entropía absoluta
de gas ideal a la temperatura especificada y a una presión de 1 at. Los valores s° que se incluyen en las
tablas desde A-18 hasta A-25 para diversos gases como N2, O2, CO, CO2, H2, H2O,
OH y O,. Los valores de entropía absoluta para diversos combustibles se
enumeran en la tabla A-26 junto con los valores h°f en el estado de
referencia estándar de 25 °C y 1 atm.
Relación
del cambio de entropía del gas ideal
escrita para un proceso isotérmico imaginario, se usa la siguiente
ecuación:
15-7
ANÁLISIS DE SISTEMAS REACTIVOS CON BASE EN LA SEGUNDA LEY
La exergía destruida X destruida
asociada con una reacción química puede determinarse de:
Trabajo
reversible (Wrev) representa el
trabajo máximo que puede efectuarse durante un proceso.
Donde
la relación del trabajo reversible para un proceso de combustión de flujo
estacionario que incluye transferencia de calor únicamente con los
alrededores a T0 puede expresarse:
En
este caso, h-Tos= go, que es, por definición, la función
de Gibbs por unidad de mol de una sustancia a temperatura T0. La
relación del Wrev en este caso se escribe como:
PREGUNTAS DEL CAPÍTULO 15
Combustibles y combustión
15-1C
¿Cómo afecta la presencia de N2 en el aire al resultado de un proceso de
combustión?
El nitrógeno
influye en el resultado de un proceso de combustión, porque el N2 suele entrar
a una cámara de combustión en grandes cantidades a temperaturas bajas, y salir
a temperaturas considerablemente altas, por lo tanto el N2 está absorbiendo una
gran proporción de la energía química liberada durante la combustión en el
proceso químico.
15-2C
¿Cómo afecta la presencia de humedad en el aire al resultado de un proceso de
combustión?
La
humedad en la cámara de combustión absorbe parte de la energía liberada durante
la combustión, y se eleva la temperatura del punto de rocío de los gases de
combustión.
15-3C
¿Acaso se conserva intacto el número de átomos de cada elemento durante una
reacción química? ¿Qué ocurre con el número total de moles?
El
número total de átomos de cada elemento se conserva durante una reacción
química, ya que el número total de átomos de un elemento es igual a la masa
total del elemento dividida entre su masa atómica.
15-4C
¿Qué es la relación aire-combustible? ¿Cómo se vincula con la relación
combustible-aire?
La
relación aire-combustible AC, es la relación entre la masa del aire y la masa
de combustible en un proceso de combustión.
El
recíproco o inverso de la relación aire-combustible se conoce como relación
combustible-aire.
15-5C
¿La relación aire-combustible que se expresa sobre base molar es idéntica a la
relación aire-combustible expresada sobre la base de masa?
No,
porque la masa molar del combustible y del aire, en general, son diferentes.
15-6C
¿Qué representa la temperatura del punto de rocío de los gases producto? ¿Cómo
se determina esto?
La
temperatura del punto de rocío de los gases de productos es la temperatura a la
que el vapor de agua en los gases de producto comienza a condensarse como los
gases se enfrían a presión constante. Es la temperatura de saturación
correspondiente a la presión de vapor de los gases de productos.
15-7
Las cantidades de traza de azufre (S) en el carbón se queman en presencia de
oxígeno diatómico (O2) para formar dióxido de azufre (SO2). Determine la masa
mínima de oxígeno que se necesita en los reactivos y la masa de dióxido de
azufre en los productos cuando se quema 1 kg de azufre.
S + O2 à SO2
Masa mínima del O2 =?
Masa
SO2 producto =?
Datos
M(S)= 32.06 kg / kmol
M (O2)=32kg / kmol
M (SO2)=64.06kg / kmol
Balance
de Masa:
M(S) + M (O2) à M(SO2)
1Kg + 1Kg = 2 Kg
15-8E
El metano (CH4) se quema en presencia de oxígeno diatómico. Los productos de
combustión consisten en vapor de agua y gas de dióxido de carbono. Determine la
masa del vapor de agua generado al quemar 1 lbm de metano.
CH4 + O2 à 2 H2O + CO2
Masa del HO2 producida =?
Datos
m(CH4)= 1lbm
M(CH4)= 16 lb/ lbmol
M(CO2) = 44 lb/ lbmol
M (O2)=32 lb/ lbmol
M (HO2)=18 lb/ lbmol
15-9C ¿Qué
representa el 100 por ciento del aire teórico?
El
aire teórico es la cantidad de aire que contiene la cantidad de oxígeno
necesario para la combustión completa.
15-10C
¿La combustión completa y la teórica son idénticas? Si no, ¿en qué se
distinguen?
No.
La combustión teórica es completa, pero no son idénticas porque los productos
de la combustión teórica no contienen ningún oxígeno sin combinar a diferencia
de la combustión completa.
BIBLIOGRAFÍA
CENGEL,
YUNUS .A. & BOLES, MICHAEL A. (2011). Termodinámica. México: Mcgraw – Hill
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